Une étrange explosion parfaitement sphérique repérée dans l’espace

Les astronomes ont observé ce qui pourrait être « l’explosion parfaite » : une explosion colossale totalement sphérique d’une kilonova déclenchée par la fusion de deux étoiles à neutrons peu de temps avant que l’entité combinée ne s’effondre pour former un trou noir. Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Nature.

Illustration d’une kilonova parfaitement sphérique. Crédits : Albert Sneppen

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l’univers après les trous noirs. Elles se forment en fin de vie des étoiles au moins dix fois plus massives que le Soleil. Des éléments de plus en plus lourds fusionnent dans le noyau jusqu’au fer qui, contrairement aux autres, est incapable de fusionner. En conséquence, l’objet ne peut plus libérer suffisamment d’énergie pour équilibrer la force gravitationnelle et s’effondre sur lui-même. Son noyau se contracte et la pression convertit les protons en neutrons.

Les étoiles à neutrons sont donc des boules de neutrons affichant des masses volumiques exceptionnellement grandes contenues dans seulement quelques kilomètres de large.

Cela étant dit, il arrive que des étoiles à neutrons évoluent par paire, tournant l’une autour de l’autre. Deux objets qui se rapprochent suffisamment peuvent alors fusionner en un seul et même objet, généralement un trou noir. Entre-temps, l’impact aura créé une explosion titanesque, appelée kilonova. Le phénomène, prédit en 1974, n’a été clairement observé et identifié pour la première fois qu’en 2013. On ignore donc encore beaucoup de choses à son sujet, d’où l’importance de cette étude.

Une sphère quasi parfaite

Dans le cadre de ces travaux, des chercheurs de l’Institut Niels Bohr, en Allemagne, se sont concentrés sur une kilonova détectée en 2017 à environ 140 millions d’années-lumière. Les deux étoiles à neutrons impliquées, qui avaient une masse combinée d’environ 2,7 fois celle de notre soleil, auraient tourné l’une autour de l’autre pendant des milliards d’années avant de se heurter à grande vitesse et d’exploser.

Par intuition, mais aussi, et surtout parce que tous les modèles précédents semblaient l’indiquer, on pensait que le nuage d’explosion créé par une telle collision devait avoir une forme aplatie et plutôt asymétrique. Cela explique donc la surprise des chercheurs qui, en analysant les données, se sont aperçus que l’explosion de 2017 était complètement symétrique avec une forme proche d’une sphère parfaite.

« Personne ne s’attendait à ce que l’explosion ressemble à cela. Cela n’a aucun sens », précise Darach Watson, coauteur de l’étude. « Toutefois, nos calculs montrent clairement que c’est le cas. Cela signifie probablement que les théories et les simulations de kilonova que nous avons envisagées au cours des 25 dernières années manquent de propriétés physiques importantes. »

Le fait que cette kilonova soit sphérique reste effectivement un mystère. « Peut-être qu’une sorte de ‘bombe magnétique’ se déclenche au moment où l’énergie de l’énorme champ magnétique de l’étoile à neutrons est libérée lorsque celle-ci s’effondre dans un trou noir », se demande Darach Watson, coauteure des travaux. « La libération d’énergie magnétique pourrait faire en sorte que la matière de l’explosion soit distribuée plus sphériquement. »

Illustration artistique de kilonova « classique ». Crédits : Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

D’autres inconnues

Cependant, cette idée n’explique pas tout. Nous savons que les kilonovas peuvent produire des éléments très lourds comme de l’or ou de l’uranium. Selon les modèles précédents, ces derniers devraient être créés à des endroits différents dans la kilonova que les éléments plus légers tels que le strontium ou le krypton. En outre, ils devraient être expulsés dans différentes directions. Or, les chercheurs n’ont détecté ici que les éléments les plus légers répartis uniformément dans l’espace.

Les chercheurs pensent que les neutrinos, d’énigmatiques particules élémentaires, pourraient jouer un rôle clé dans cette « anomalie ». Une idée est que dans les millisecondes que vit l’étoile à neutrons hypermassive résultant de la fusion, elle émet un grand nombre de neutrinos juste avant de terminer en trou noir. Ces derniers pourraient alors provoquer la conversion des neutrons en protons et en électrons, et ainsi créer des éléments plus légers dans l’ensemble.

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Source : Sciencepost